Online Condition Monitoring von Windenergieanlagen mittels Körperschallanalyse

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1 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse Verleihexemplar Lager- und Getriebedaten Diplomarbeit sind unkenntlich gemacht! Rückfragen an: Marc Thomsen, Online Condition Monitoring von Windenergieanlagen mittels Körperschallanalyse Marc Thomsen, im Juli 2002 Fachhochschule Flensburg GEO Gesellschaft für Energie und Oekologie

2 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 2 Danksagung Viele freundliche Leute haben mit Ihrem Wissen und Können zu dieser Diplomarbeit beigetragen. Ihnen allen danke ich dafür recht herzlich: Prof. Dr. Hans-Jürgen Sponholz vom Institut für Maschinen und Anlagentechnik an der FH Flensburg für die Betreuung der gesamten Diplomarbeit Dr. Hermann van Radecke vom Institut für Physik an der FH Flensburg für die begleitenden Gespräche und die zahlreichen Hinweise und Erläuterungen zu Spektralanalysen Torsten Johnson von der Firma GEO für die Idee zum Thema dieser Diplomarbeit Klaus Vaehsen von der Firma DMT für die Kooperation und die Beantwortung zahlreicher Fragen zum Condition-Monitoring-System DMT-ZUMWART online Prof. Dr. Andreas Seeliger vom Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde der RWTH Aachen und Dr. Jianfeng Shan von der Firma SKF Deutschland für ihre Erläuterungen zu diagnosetechnischen Besonderheiten bei Planetengetrieben Horst Kindler für seine Tätigkeit als Lektor Marc Thomsen, im Juli 2002 Titelbild: 3D-Ansicht der Baugruppen im Maschinenhaus einer Windenergieanlage Vestas V66 /1/, Hintergrund: Beispiel eines Körperschallfrequenzspektrums

3 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 3 Inhalt Seite 1. Formelzeichen und Abkürzungen Einleitung Grundlagen der Maschinendiagnose Maschinendiagnose mit Hilfe von Körperschall kinematische Zusammenhänge im Antriebsstrang Wälzlager Zahnradgetriebe Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngrößen Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern und Anstreifvorgängen 3.6. Detektion von Stoßimpulsen an Wälzlagern Hüllkurvenanalyse Amplitudenmodulation Hüllkurvenbildung Wälzlagerdiagnose Verzahnungsdiagnose Einfluss variabler Drehzahlen Einfluss variabler Lasten Condition Monitoring an einer Windenergieanlage vom Typ Vestas V Beschreibung der Windenergieanlage Vestas V66 1,65 MW Daten der zu überwachenden Baugruppen Kinematik der Hauptwellen- und Primärgeneratorlager Getriebekinematik Das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online Signalerfassung Signalverarbeitung und -speicherung DMT Software zur Messdatenauswertung und visualisierung Auswertung und Diskussion der Condition Monitoring Daten Drehzahlabhängige Spektraldatenklassierung Ermittlung des Verschleißzustandes der WEA Spektralanalyse bei konstanter Drehzahl und niedriger Last Gegenüberstellung der manuellen und der automatischen Auswertung Auswirkung von Drehzahländerungen auf die Spektraldaten Berücksichtigung unterschiedlicher Anlagenbelastungen Leistungsabhängige Spektraldatenklassierung Windgeschwindigkeitsabhängige Spektraldatenklassierung Vergleich der Klassierungsmethoden Zusammenfassung Quellenangaben Anhang

4 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 4 1. Formelzeichen und Abkürzungen α Druckwinkel ω Kreisfrequenz ω M ω T a Modulationsfrequenz Trägerfrequenz Beschleunigung A-Seite Antriebsseite B-Seite Nicht-Antriebsseite CM Condition Monitoring CM I Condition Monitoring Index D Teilkreisdurchmesser d Wälzkörperdurchmesser DFÜ Datenfernübertragung DMT Deutsche Montan Technologie GmbH f Frequenz f a f Gen f HÜ f i f k f P f PÜ f S f SÜ f T f Turm f w f ze f zew Außenringüberrollfrequenz Drehfrequenz des Primärgenerators Planetenpassierfrequenz am Hohlrad Innenringüberrollfrequenz Käfigrotationsfrequenz Planetendrehfrequenz Planetenradüberrollfrequenz Sonnenraddrehfrequenz Planetenpassierfrequenz am Sonnenrad Planetenträgerdrehfrequenz Turmdurchgangsfrequenz Wälzkörperrotationsfrequenz Zahneingriffsfrequenz Zahneingriffswiederholfrequenz g Erdbeschleunigung (g=9,81 m/s 2 ) i Übersetzungsverhältnis i 1 Übersetzungsverhältnis Rotor Primärgenerator i 2 k KGV M n P Übersetzungsverhältnis Rotor Sekundärgenerator Anzahl von Planetenrädern in einem Planetengetriebe kleinstes gemeinsames Vielfaches Drehmoment Drehzahl Leistung WEA Windenergieanlage Z Wälzkörperanzahl z Zähnezahl z H z P z S Zähnezahl Hohlrad Zähnezahl Planetenrad Zähnezahl Sonnenrad

5 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 5 2. Einleitung Windenergieanlagen (WEA) sind mittlerweile für eine Lebensdauer von über 20 Jahren ausgelegt. Während dieser Life-Cycle-Periode entscheiden unter anderem Verfügbarkeit und Betriebsführungskosten über die zu erzielende Rendite. Wie Abbildung 2.1 zeigt, führen insbesondere Schäden am Antriebsstrang häufig zu Ausfällen von WEA. Solche Schäden, die meist erhebliche Stillstandszeiten nach sich ziehen, hätten möglicherweise bei Verwendung geeigneter Überwachungssysteme frühzeitig erkannt werden können. beschädigte Komponenten an WEA im Jahr 2001 Von Ausfällen betroffene Komponenten an WEA 2001 Generator 21% Rotorblätter 29% Kupplung 7% Getriebe 43% Abb. 2.1: Von Ausfällen betroffene Komponenten an WEA im Jahre 2001, Daten aus /2/ Die zuverlässige Überwachung (Condition Monitoring) der wesentlichen mechanischen Komponenten einer WEA wie Hauptwellen-, Generator- und Getriebelager sowie Getriebeverzahnungen stellt daher eine wichtige Voraussetzung für den dauerhaft wirtschaftlichen Betrieb dar. Hierzu ist neben dem Erfassen und Bewerten von Öltemperaturen die schwingungstechnische Zustandsüberwachung ein geeignetes Mittel, das sich bereits in anderen industriellen Bereichen bewährt hat, aber bis heute in der Windenergietechnik kaum verbreitet ist. Insbesondere geplante Offshore-Windenergieanlagen erfordern aufgrund der eingeschränkten Erreichbarkeit auf See bezüglich ihrer künftigen technischen Betriebsführung den Einsatz von Condition Monitoring Systemen zur Zustands- und Verschleißüberwachung der mechanischen Komponenten. So können Wartungszeitpunkte besser geplant, ungeplante Anlagenstillstände und teure Folgeschäden weitestgehend ausgeschlossen, und somit eine optimale Verfügbarkeit der Anlagen sichergestellt werden. Darüber hinaus fordern immer mehr Versicherungen, insbesondere die hochwertigen Komponenten des Antriebsstranges in den immer größer und komplexer werdenden Anlagen auch onshore technisch noch umfangreicher und zuverlässiger zu überwachen.

6 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 6 Um onshore erste Erfahrung mit der Fernüberwachung von Bauteilen in WEA zu sammeln, ist im Rahmen eines Pilotprojektes in Kooperation zwischen den Firmen GEO-mbH und DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH, Essen) das Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online in eine WEA des Typs Vestas V66 eingebaut worden, die von GEO im Windpark Willenscharen bei Neumünster betreut wird. Dieses Überwachungssystem hat sich bereits in unterschiedlichen industriellen Bereichen wie beispielsweise in der Bergbau- und Kraftwerkstechnik bewährt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll der Einfluss unterschiedlicher Drehzahlen und Anlagenbelastungen auf die bei diesem Projekt ermittelten schwingungstechnischen Daten ermittelt werden. Zielsetzung ist, mit Hilfe geeigneter Klassierungen der Frequenzspektren eine zuverlässige Maschinenüberwachung bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu realisieren und so die Praxistauglichkeit dieses CM-Systems für spätere Offshore- Anwendungen aber auch für die Nachrüstung von Altanlagen zu erproben. Im Folgenden sollen nach einer Einführung in die Grundlagen der schwingungstechnischen Maschinendiagnose und einer Beschreibung der WEA sowie des Überwachungssystems die aufgenommenen Messdaten zur Ermittlung des Verschleißzustandes der WEA ausgewertet und hinsichtlich der Einflüsse unterschiedlicher Drehzahlen und Lasten beurteilt und diskutiert werden.

7 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 7 3. Grundlagen der Maschinendiagnose Neben der Messung von Temperaturen, Drücken und anderen Prozessgrößen stellt die schwingungstechnische Diagnose eine sehr zuverlässige Methode zur Detektion mechanischer Auffälligkeiten dar. Während sich großflächige Bauteilschäden in der Regel durch einen Anstieg der Schmierstofftemperatur und Abfall der Qualität erkennen lassen, ist die schwingungstechnische Überwachung geeignet, selbst kleinflächige, örtlich eng begrenzte Schäden, aber auch Unwuchten, Ausrichtfehler und Anstreifvorgänge zu erkennen. Zur Messung von Vibrationen besteht neben der Verwendung von Dehnungsmessstreifen grundsätzlich die Möglichkeit, die physikalischen Größen Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung mit Hilfe induktiver Sensoren oder aber Körperschallsignale mit piezoelektrischen Sensoren aufzuzeichnen. Im Folgenden soll schwerpunktmäßig die Messung und Auswertung von Körperschallbeschleunigungssignalen betrachtet werden, da sich dieses Verfahren in der Vergangenheit gegenüber den anderen mehr und mehr durchgesetzt hat. Auf dieser Basis finden auch die Messungen beim Condition Monitoring der WEA in Willenscharen statt Maschinendiagnose mit Hilfe von Körperschall Die Zustandsüberwachung auf der Basis von Körperschall beruht auf dem Prinzip, Änderungen des Geräuschverhaltens einer Maschine im Vergleich zum Normalbetrieb zu messen und daraus Rückschlüsse auf eventuell auftretende Schäden an Maschinenkomponenten zu ziehen. Der Betrieb von Maschinen ist immer mit der Entstehung von Schwingungen verbunden, die sich in Form von Körperschall in der Maschine ausbreiten bzw. als Luftschall an die Umgebung abgegeben werden. Der Körperschall setzt sich dabei aus einer Vielzahl einzelner Schwingungskomponenten zusammen, die sich unterschiedlichen Maschinenteilen oder -komponenten zuordnen lassen. Im Falle eines Fehlers oder Schadens verändern sich die Körperschallschwingungen, so dass sich mit Hilfe der Schwingungsüberwachung Maschinenschäden frühzeitig und gezielt identifizieren lassen. Verschleiß, fehlerhafte Montage und unzureichende Abb. 3.1: Körperschallmessung und analyse /3/ Wartung können erfasst und bewertet werden.

8 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 8 Zur Messung des Körperschalls werden piezoelektrische Beschleunigungssensoren verwendet, die ein Spannungssignal erzeugen, welches der Beschleunigung einer seismischen Masse im Sensor proportional ist. Durch geeignete Filterung, Transformation und anschließende Analyse dieses Signals können Rückschlüsse über den Zustand einzelner Maschinenteile gezogen werden. Abbildung 3.1 verdeutlicht schematisch die Körperschallmessung, Signalverarbeitung und analyse. Wesentlich für eine zuverlässige Überwachung ist allerdings, dass die Datenbasis für die Analyse den Zustand der Maschine exakt widerspiegelt. Hierzu müssen im Vorfeld Informationen zum Aufbau und zu den einzelnen Baugruppen der Maschine vorhanden sein. Beschädigungen an Wälz- und Gleitlagern sowie Getriebeverzahnungen, führen in der Regel zu periodischen Schwingungen. Wälzlagerschäden wie zum Beispiel Pittings auf Laufbahnen erzeugen beim Überrollen eine periodische Folge von Einzelstößen, die zu Beschleunigungsspitzen am Sensor führen, die im Beschleunigungssignal deutlich nachweisbar sind. Die Frequenz dieser Stoßimpulse ist spezifisch für den Wälzlagerschaden und lässt sich bei Kenntnis der Lagergeometrie sowie der Drehzahl berechnen. Je nach Schadensort (Außenring, Innenring, Wälzkörper) ergeben sich unterschiedliche Impulsfrequenzen, die als kinematische Lagerfrequenzen bezeichnet werden. Mögliche Schäden lassen sich durch erhöhte Amplituden bei den zugehörigen kinematischen Frequenzen und deren Vielfachen diagnostizieren. /4/ Bei WEA muss dabei der weite Drehzahlbereich von der langsam drehenden Rotorwelle bis zur schnell drehenden Generatorwelle im Diagnosesystem ebenso berücksichtigt werden, wie der aktuelle Lastzustand der Anlage. Die genannten, für die Körperschallsignale wesentlichen Einflussgrößen (Bauteilgeometrie bzw. aufbau, Drehzahl und Last) sollen in den folgenden Kapiteln näher betrachtet und erläutert werden.

9 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse kinematische Zusammenhänge im Antriebsstrang Die Auswertung der Schwingungssignale setzt die Kenntnis der Geometrie und der Kinematik der zu überwachenden Lager und Getriebe im Antriebsstrang voraus. Im Folgenden wird dargestellt, welche Berechnungen zur Ermittlung der kinematischen Frequenzen im Vorfeld der Auswertung erforderlich sind Wälzlager Wälzlager unterliegen im normalen Betrieb durch wechselnde Beanspruchungen einem Verschleiß, der im Laufe der Zeit zu Ausbrüchen (Pittings) an den Lagerringen, Wälzkörpern oder dem Wälzkörperkäfig führen kann. Wenn solche Pittings in den Wälzlagern von den Wälzkörpern überrollt werden, werden in den angrenzenden Lagerbauteilen periodisch auftretende starke Belastungsspitzen erzeugt. Die Frequenzen, mit denen diese Spitzen auftreten, werden als Überrollfrequenzen bezeichnet. Sie hängt von den folgenden in den Abbildungen 3.2 und 3.3 verdeutlichten geometrischen und kinematischen Größen ab: Teilkreisdurchmesser Wälzkörperdurchmesser Druckwinkel Anzahl der Wälzkörper Drehzahl der Welle D d α Z n Abb. 3.2: Geometrie eines Wälzlagers /5/ Abb. 3.3: Definition des Druckwinkels α: Der Druckwinkel α ist der Winkel, den die Drucklinie der Wälzkörperbelastung mit einer zur Lagerachse senkrechten Ebene bildet. Zum Beispiel ist bei radial belasteten Rillenkugellagern α=0. /6/

10 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 10 Unter Verwendung folgender Gleichungen lassen sich die Rotations- und Überrollfrequenzen für die einzelnen Bauteile eines Wälzlagers berechnen: Rotationsfrequenz Innenringüberrollfrequenz Außenringüberrollfrequenz Wälzkörperüberrollfrequenz Käfigrotationsfrequenz n f = n [min -1 ] f [s -1 ] Gl. 3.1 /5/ 60 1 d f i = f Z 1+ cosα Gl. 3.4 /5/ 2 D 1 d f a = f Z 1 cosα Gl. 3.5 /5/ 2 D D d f = 1 w f + 1 cosα d D Gl. 3.6 /5/ 1 d f k = f 1 cosα Gl. 3.2 /5/ 2 D (bei rotierendem Innen- und stehendem Außenring) 1 d f k = f 1+ cosα Gl. 3.3 /5/ 2 D (bei stehendem Innen- und rotierendem Außenring) Die namhaften Lagerhersteller bieten zur Berechnung dieser Frequenzen entsprechende Software an, die nach Eingabe der Bezeichnung eines Lagers und der Drehzahl alle Überrollund Rotationsfrequenzen angibt. Bei Wälzkörperschäden in Kugellagern ist zu beachten, dass sich in Bezug auf die Drehachse einer Lagerkugel eine Schadensstelle während der Rotation verlagern kann, so dass ein Kugelschaden möglicherweise nicht ständig überrollt wird. In diesem Fall ist die Wälzkörperüberrollfrequenz zur Lagerdiagnose nur bedingt aussagekräftig Zahnradgetriebe Die verschiedenen Baugruppen in einem Zahnradgetriebe zeigen unterschiedliche Anfälligkeiten bezüglich eines möglichen Defektes. Wellen und Gehäuse weisen eine eher geringe Ausfallquote gegenüber Dichtungen und Lagern auf. Zahnradschäden treten hingegen häufiger auf und haben zugleich schwerwiegendere Folgen. /7/ Daher werden nun zuerst die kinematischen Grundlagen für die Schwingungsanregung an Verzahnungen von Stirnradgetrieben und darauf aufbauend an komplexeren Planetengetrieben aufgezeigt.

11 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 11 Stirnradgetriebe: Abb. 3.4: Zahnradpaar einer einstufigen Stirnradverzahnung Bei einem einstufigen Stirnradgetriebe, wie es in Abbildung 3.4 dargestellt ist, berechnet sich die Übersetzung i aus dem Verhältnis der Zähnezahlen z a und z b bzw. den Drehzahlen n a und n b. Bei Vernachlässigung der Verlustleistung kann das Übersetzungsverhältnis auch aus den Drehmomenten M a und M b berechnet werden: z z b a a i = = = = a n n b ω ω b M M b a Gl. 3.7 /8/ mit: z a, z b Zähnezahlen der Zahnräder a und b n a, n b Drehzahlen der Zahnräder a und b ω a, ω b Kreisfrequenzen der Zahnräder a und b M a, M b Drehmomente der Zahnräder a und b Ein Zahnradgetriebe bildet ein sehr komplexes schwingungsfähiges System, in dem die Schwingungen in Form von Luft-, Körper- und Flüssigkeitsschall auftreten können. Die Anregung der Schwingungen findet in erster Linie durch den Zahneingriff selbst statt, der eine Ungleichförmigkeit der Drehbewegung der kämmenden Zahnräder in Form von Drehbeschleunigungen bewirkt. Dies bedeutet, dass auch in einem völlig intakten Getriebe periodische Schwingungen erzeugt werden, die jedoch von denen zu unterscheiden sind, die durch Getriebeschäden hervorgerufen werden.

12 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 12 Abbildung 3.5 zeigt die Anregung durch den sog. Eintrittsimpuls an einer Verzahnung: Abb. 3.5: Infolge der Kraftübertragung verbiegen sich die im Eingriff stehenden belasteten Zähne 2 und 2. Durch die entstehende Verlagerung der Zahnflanken dreht sich das treibende Rad nach links gegenüber dem getriebenen Rad. Theoretisch betrachtet käme hierbei der noch unbelastete Zahn 3 in den Flächenbereich A des unbelasteten Gegenzahns 3. In der Realität stößt jedoch der Zahn 3 schon vorher gegen die Kopfkante von 3, wodurch der Eintrittsimpuls- oder stoß entsteht. /9/ Außer dem Zahneintrittsimpuls kommt es auch beim Zahnaustritt zu einem weiteren Impuls, wenn der nachfolgende Zahn plötzlich die Kraftübertragung übernimmt. Die Art der Verzahnung (gerade oder schräg) hat Einfluss auf die Intensität der Stöße. Eintritts- und Austrittsimpuls werden mit der sog. Zahneingriffsfrequenz f ze angeregt. f ze = f z = f z Gl. 3.8 /9/ a a b b mit: f a, f b Drehfrequenzen der Zahnräder a und b z a, z b Zähnezahlen der Zahnräder a und b Des Weiteren werden Schwingungen durch Änderungen der Zahnfedersteifgkeit angeregt, die sich im Verlauf des Zahneingriffs ändert, wobei sich diese Veränderung periodisch mit der Zahneingriffsfrequenz wiederholt. Bei einer Schrägverzahnung ist die auftretende Schwankung geringer als bei einer vergleichbaren Geradverzahnung. Als weiterer Anregungsmechanismus ist der sog. Reibwechselimpuls zu nennen, der in Folge des Richtungswechsels der Reibkraft im Wälzpunkt Schwingungen mit der Zahneingriffsfrequenz anregt. Auch hier führt die Verwendung einer Schrägverzahnung zu einer geringeren Intensität der Anregung als bei einer Geradverzahnung. Zusätzlich entstehen an den an der Kraftübertragung beteiligten Zahnflanken Reibgeräusche durch die auftretende Gleit- und Wälzreibung. Hierbei treten aber keine für die Schadensdiagnose relevanten Frequenzen auf. Insgesamt kann festgestellt werden, dass mit Ausnahme der Reibgeräusche, alle beschriebenen Mechanismen mit der Zahneingriffsfrequenz angeregt werden. Aus Gründen der Vereinfachung werden bei der Verzahnungsdiagnose die Betrachtungen in der Regel auf den Zahneingriffsstoß beschränkt. /9/ Schäden an der Verzahnung können beim Zahneingriff zu Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße führen, was ihr Erkennen bei der Getriebediagnose ermöglicht.

13 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 13 In der Realität wird es bedingt durch Bauungenauigkeiten jedoch auch bei einer intakten Verzahnung immer leichte Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße geben. Eine gleich große Intensität der Stöße wird sich immer wieder ergeben, wenn sich gleiche Zähne beim Kämmen wieder treffen. Die Anzahl der dazu erforderlichen Umdrehungen hängt von den Zähnezahlen beider Zahnräder ab und lässt sich mit Hilfe der folgenden Gleichungen für Stirnradgetriebe berechnen: Anzahl der Umdrehungen Zahnrad a Anzahl der Umdrehungen Zahnrad b KGV(z, z ) a b = Gl. 3.9 /9/ za KGV(z z a b = Gl /9/ b, z ) Die entsprechende Zahneingriffswiederholfrequenz f zew berechnet sich folgendermaßen: f zew za zb = f a = fb Gl /9/ KGV(z, z ) KGV(z, z ) a b a b mit: KGV (z a, z b ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen f a, f b z a, z b der beiden Zähnezahlen z a und z b Drehfrequenzen der Zahnräder a und b Zähnezahlen der Zahnräder a und b Planetengetriebe: Im Gegensatz zu einfachen Stirnradgetrieben vollführen die zahlreichen Maschinenteile eines Planetengetriebes, also Sonnenrad, Planeten, Planetenträger und Hohlrad, komplexere kinematischen Bewegungen. Die Komplexität der Kinematik erschwert eine Diagnose erheblich. Auch wenn die schwingungsanregenden Mechanismen grundsätzlich die gleichen wie bei Stirnradgetrieben sind, gestaltet sich das Erkennen von Fehlern an der Verzahnung von Planetengetrieben komplizierter, da sich immer mehrere Planeten im Zahneingriff befinden und die Planeten sich nicht nur um ihre eigene Achse drehen, sondern zusätzlich auch um den Mittelpunkt des Planetenträgers. Abb. 3.6 zeit die Baugruppen eines Planetengetriebes. Abb. 3.6: Baugruppenübersicht eines einstufigen Planetengetriebes: Bei WEA treibt die langsam drehende Hauptwelle den Planetenträger an, entsprechend ist in diesem Fall die Sonnenradwelle die Abtriebswelle.

14 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 14 Bei einstufigen Planetengetrieben mit feststehendem Hohlrad gilt für das Übersetzungsverhältnis i: i f f S S H = = Gl /10/ T z + z z Für die Drehfrequenz der Planetenräder gilt: f z S z S H P = f S Gl /10/ zp ( zs + zh ) Die Zahneingriffsfrequenz f ze ergibt sich in diesem Fall aus: f z z S H ze = f S Gl /10/ zs + zh Für die Zahneingriffswiederholfrequenzen von Sonnen- und Planetenrad f zew(s,p) bzw. für die Zahneingriffsfrequenz von Planeten- und Hohlrad f zew(p,h) gilt: f f zew( S, P) zew( P, H ) zs = ( f S ft ) Gl /10/ KGV ( z, z ) S P zh = ft Gl /10/ KGV ( z, z ) P H Für die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf dem Sonnenrad gilt: f z H SÜ = k f S (Passierfrequenz am Sonnenrad) Gl /10/ zs + zh Für die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf dem Hohlrad gilt: f z S HÜ = k f S (Passierfrequenz am Hohlrad) Gl /10/ zs + zh Für die Frequenz des Überrollens einer Unregelmäßigkeit auf einem Planetenrad gilt: f z z S H PÜ = 2 f S Gl /10/ zp ( zs + zh ) mit: f T Planetenträgerdrehfrequenz f S k z S z H z P Sonnenraddrehfrequenz Anzahl der Planetenräder Zähnezahl des Sonnenrades Zähnezahl des Hohlrades Zähnezahl eines Planetenrades KGV (z S, z P ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Zähnezahlen z S und z P KGV (z P, z H ) als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Zähnezahlen z P und z H

15 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse Maschinendiagnose anhand breitbandiger Schwingungskenngrößen Zur groben Beurteilung des Schwingverhaltens einer Maschine werden häufig verschiedene breitbandig gemittelte Kenngrößen angegeben, die eine Reihe möglicher Schwingungsursachen andeutungsweise erkennen lassen. Hauptsächlich wird hier neben dem Spitzenwert der Effektivwert des Schwingungssignals verwendet im Englischen als rootmean-square-value (RMS) bezeichnet. Er ist definiert als die Wurzel aus dem Mittelwert der quadrierten Augenblickswerte innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnitts und kann mit speziellen elektrischen Schaltungen ermittelt werden. Der Effektivwert enthält jedoch keine Information über die spektrale Zusammensetzung der Schwingung. Veränderungen der Schwingfrequenz oder sich anbahnende Schäden mit neuen Frequenzkomponenten geringer Amplituden sind im Effektivwert nicht erkennbar. /11/ Für eine weitergehende, detailliertere Untersuchung sind umfangreichere Messungen und Spektralanalysen erforderlich, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben Signalverarbeitung und frequenzselektive Schwingungsanalyse Um auf Grundlage der Schwingungsanalyse Rückschlüsse auf den Verschleißzustand einer Maschine ziehen zu können, wird zunächst mit Hilfe von Körperschallbeschleunigungssensoren die Vibration der Maschine in ein elektrisches Signal umgewandelt, verstärkt und gefiltert. Ein Filtern des Signals ist erforderlich, um die normalen Laufgeräusche der Maschine herauszufiltern, die den infolge von lokalen Beschädigungen auftretenden periodischen Schwingungen überlagert sind. Durch Herausfiltern all dieser Schwingungsanteile können so die kinematisch bedingten Impulse für die Auswertung rekonstruiert werden. Bei der anschließenden Auswertung wird das Schwingungssignal in Abhängigkeit der zu überwachenden Baugruppe mit unterschiedlichen Analyseverfahren auf bei Maschinenschäden auftretende charakteristische Merkmale untersucht. So kommt neben der Auswertung des aufgenommenen Zeitsignals der Beschleunigung, dem sog. Rohsignal, die Analyse des Frequenzspektrums zur Anwendung. Das Frequenzspektrum wird mit Hilfe geeigneter mathematischer Transformationsverfahren, wie zum Beispiel der Fourier- Transformation oder der Fast-Fourier-Transformation (FFT) aus dem Rohsignal errechnet. Mit Hilfe dieser Transformationsverfahren kann ein beliebiges Zeitsignal in eine Summe reiner Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase zerlegt werden. Eine genauere Betrachtung dieser Transformationen, die ohnehin von der Auswerteelektronik durchgeführt werden, würde den Rahmen dieser Ausarbeitung sprengen, so dass diesbezüglich auf die Literatur, z.b. /12/ und /13/, verwiesen wird.

16 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 16 Des Weiteren kommt auch die Betrachtung des sog. Hüllkurvensignals zur Anwendung, welches sich besonders für die Überwachung von langsam drehenden Wälzlagern und Getriebeverzahnungen eignet, da genau die Signalanteile extrahiert sind, die den Lager- bzw. Verzahnungszustand widerspiegeln. /14/ Siehe hierzu auch Abschnitt 3.7. Die Art der Darstellung der gemessenen Signale ist entscheidend für das Erkennen von Schäden und deren Ursachen. Es gibt unterschiedliche Darstellungsmöglichkeiten, die je nach Besonderheit des Schwingungsproblems zum Einsatz kommen. Tabelle 3.1 verdeutlicht die bei der Maschinendiagnose verwendeten Signaldarstellungen im Zeit- und Frequenzbereich. Zeitbereich Frequenzbereich Signal Hüllkurve Zeit- oder Rohsignal Frequenzspektrum (Spektrum) Hüllkurve des Rohsignals Hüllkurvenspektrum Tabelle 3.1: Das Rohsignal, das Frequenzspektrum, die Hüllkurve des Rohsignals sowie das Hüllkurvenspektrum werden zur Schwingungsanalyse verwandt. Die Amplituden der einzelnen spektralen Komponenten können linear oder logarithmisch dargestellt werden. Bei der linearen Darstellung sind in der Regel nur die größeren Komponenten im Spektrum sichtbar, während bei der logarithmischen Darstellung mehr Details hervortreten. An der Ordinate werden bei linearer Darstellung als Einheit entweder Vielfache der Erdbeschleunigung g (g=9,81 m/s 2 ) oder unmittelbar das Spannungssignal in mv angegeben. Bei logarithmischer Darstellung der Beschleunigungsamplituden erfolgt die Skalierung dimensionslos in db (Dezibel), wobei als Bezugsbeschleunigung bei der Firma DMT der Wert a 0 = g 10-6 = 9, m/s 2 verwendet wird, um gut zu handhabende Zahlenwerte zu erhalten. Bei anderen Anbietern von CM-Systemen kann diese Bezugsbeschleunigung durchaus einen anderen Wert haben, so dass bei logarithmischer Darstellung die Absolutwerte der Amplituden nur bedingt vergleichbar sind.

17 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 17 Da jedoch in der Regel nur eine Relativbetrachtung durchgeführt wird, bei der Momentanund Referenzwerte mit dem gleichen System erfasst werden, spielt die Amplitudeneinheit letztlich nur eine untergeordnete Rolle. Für den dimensionslosen Wert der Beschleunigung a gilt: 2 a a db _ a = 10 log = 20 log a Gl /15/ 0 a0 mit: db_a dimensionsloser, logarithmischer Wert der gemessenen Beschleunigung a gemessen Beschleunigung a 0 Bezugsbeschleunigung a 0 = 9, m/s Detektion von Unwuchten, Ausricht- u. Kupplungsfehlern und Anstreifvorgängen Die schwingungstechnische Lager- und Getriebeüberwachung ermöglicht neben der Verschleißdiagnose an Lagern und Getrieben auch ein Erkennen von Unwuchten, Ausrichtoder Kupplungsfehlern sowie Anstreifvorgängen in Wellensträngen. Gemäß /16/ und /19/ werden die folgenden charakteristischen Merkmale solcher Fehler unterschieden. Unwuchten Bei Maschinen mit großen rotierenden Massen sind Unwuchten eine häufige Quelle für Schwingungen. Unwuchten treten auf, wenn die Masseverteilung in Rotoren nicht symmetrisch zur Drehachse ist. Sie erzeugen umlaufende Kräfte und Momente, die von der Lagerung des Rotors aufgenommen werden müssen, damit dieser in seiner Drehachse festgehalten wird. Diese Kräfte und Momente erreichen einmal pro Umdrehung ein Maximum und ein Minimum und regen daher die Lagerung zu drehfrequenten Schwingungen an. Durch Unwucht erregte Schwingungen zeigen sich im Frequenzspektrum durch erhöhte Amplituden bei der Rotationsfrequenz und sind unabhängig vom übertragenen Drehmoment. Ausricht- oder Kupplungsfehler Fehlerhafte Ausrichtung von Wellensträngen und Fertigungsmängel oder Verschleiß an Kupplungselementen können ebenfalls Ursache von verstärkten Wellen- und Lagerschwingungen sein. Ausrichtfehler sind häufig die Ursache von mangelnder Genauigkeit bei der Montage, von thermischen Einflüssen oder aber von Setzungserscheinungen des Fundaments. Von Kupplungsfehlern spricht man, wenn die kraftübertragenden Elemente einer Kupplung die Momente bei jeder Umdrehung ungleichmäßig weiterleiten.

18 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 18 Bei Ausricht- oder Kupplungsfehlern treten daher zusätzliche Kräfte in den Lagerstellen auf, die häufig 1, 2, 3 oder 4 mal pro Umdrehung ein Maximum und ein Minimum erreichen. Im Frequenzspektrum sind erhöhte Amplituden bei der Wellendrehfrequenz und den ersten drei bis vier Vielfachen, im Folgenden auch Harmonische genannt, zu erkennen. Anstreifvorgänge Bei einem periodischen Anstreifen einer rotierenden Welle an ein umgebendes Bauteil wie zum Beispiel dem Gehäuse oder einer Abdeckung können im Frequenzspektrum Amplitudenerhöhungen bei der Wellendrehfrequenz mit bis zu zehn Harmonischen auftreten Detektion von Stoßimpulsen an Wälzlagern Wenn die Wälzkörper eines Wälzlagers mit ausreichender Belastung periodisch über einen Defekt in der Lauffläche rollen, so lassen sich im Zeitsignal der Schwingbeschleunigung meist periodische Stöße nachweisen. Das Frequenzspektrum eines solchen Schwingungssignals besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen, die alle Vielfache der Stoßimpulsfolgefrequenz sind. Die höchsten Amplituden treten im Bereich der Resonanzfrequenzen auf. Die Abbildungen 3.7 und 3.8 zeigen beispielhaft die Simulation der Anregung einer Maschinenresonanz durch eine periodische Stoßfolge im Zeit- und Frequenzbereich. Abb. 3.7: Zeitsignal einer periodischen Stoßfolge /16/ Abb. 3.8: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stoßfolge ohne Berücksichtigung des real auftretenden Störpegels /16/ Grundsätzlich sind periodische Stoßimpulse dadurch zu erkennen, dass die Amplituden der Stoßimpulsfolgefrequenz und der Vielfachen empirisch festgelegte Grenzwerte überschreiten.

19 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 19 In der Regel ist die Amplitude der Stoßimpulsfolgefrequenz jedoch so niedrig, dass sie durch einen maschinengeräuschbedingten Störpegel überschattet wird, wie Abb. 3.9 verdeutlicht. Die Amplitude der Stoßimpulsfolgefrequenz geht vollständig im Störpegel unter. Dadurch ist es schwierig, Stoßimpulsfolgen zuverlässig zu detektieren. Abb.3.9: Frequenzspektrum bei Anregung durch eine periodische Stoßfolge mit Berücksichtigung des real auftretenden Störpegels /16/ In Abbildung 3.10 sind zum Vergleich die realen Frequenzspektren zweier Wälzlager gleichen Typs gegenübergestellt, wobei das eine einen starken, das andere einen schwachen Außenringschaden aufweist. In beiden Fällen liegt die Stoßimpulsfolgefrequenz hier mit f a bezeichnet bei ca. 105 Hz. Beim stark geschädigten Lager ist sie deutlich zu erkennen, nicht aber beim schwach geschädigten. Die Stoßimpulsfolge zeigt sich hier nur bei höheren Vielfachen der Stoßimpulsfolgefrequenz im Maschinenresonanzbereich. Zu beachten sind die unterschiedlichen Skalierungen der Ordinaten der beiden Spektren. Eine präzisere Aussage kann hier mit Abb. 3.10: Frequenzspektren baugleicher Hilfe der Hüllkurvenanalyse getroffen Wälzlager: oben mit starkem, unten mit werden. schwachem Außenringschaden /16/

20 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse Hüllkurvenanalyse Die Hüllkurvenanalyse ermöglicht es, versteckte Stoßimpulsfolgen in einem Schwingungssignal sehr genau zu detektieren und zu untersuchen. Die Bildung der Hüllkurve wird eigentlich in der Nachrichtentechnik zur Demodulation amplitudenmodulierter Signale verwendet, lässt sich aber ebenso auf Körperschallsignale anwenden Amplitudenmodulation Da die periodische Stoßanregung von Maschinenresonanzen ähnliche Auswirkung auf das Spektrum hat wie die Amplitudenmodulation /17/ wird im Folgenden das Prinzip der Amplitudenmodulation und Demodulation erläutert. Ein amplitudenmoduliertes Signal besteht aus einem hochfrequenten Trägersignal und einem niederfrequenten Nutzsignal, wobei sich die Amplitude des Trägersignals in Abhängigkeit vom Nutzsignals ändert. Dies verdeutlicht Abbildung Abb. 3.11: Amplitudenmodulierte Schwingung, in Anlehnung an /18/ ω T - Trägerfrequenz ω M - Modulationsfrequenz Das Nutzsignal kann so mit dem Trägersignal mitübertragen werden. Beim Empfänger wird durch die Hüllkurvenbildung das Nutzsignal wieder vom Trägersignal getrennt. Dieser Vorgang wird als Demodulation bezeichnet. Eine trigonometrische Umformung gem. /18/ zeigt, dass eine einfache amplitudenmodulierte Schwingung aus der Trägerfrequenz ω T und zwei Seitenschwingungen mit den Frequenzen ω T ±ω M besteht. Im zugehörigen Frequenzspektrum sind daher neben der Trägerfrequenz auch die sog. Seitenbänder zu erkennen, wie Abbildung 3.12 zeigt: Abb. 3.12: Frequenzspektrum einer amplitudenmodulierten Schwingung, in Anlehnung an /18/

21 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 21 Im Gegensatz dazu weist das zugehörige Frequenzspektrum der Hüllkurve (Nutz- oder Modulationssignal) dann nur noch eine Linie bei der Modulationsfrequenz ω M auf. Die Hüllkurvenanalyse bietet sich insbesondere zur Ermittlung niederfrequenter Modulationserscheinungen und Schwingungen an Hüllkurvenbildung Die Vorgehensweise der Hüllkurventransformation zeigt Abbildung 3.13: Abb. 3.13: Prinzip der Hüllkurventransformation, in Anlehnung an /16/ Durch das Hochpassfilter vor der Gleichrichtung wird sichergestellt, dass nur die für die Schwingungsdiagnose relevanten Trägerfrequenzen demoduliert werden. Tieffrequente Anteile des Schwingungssignals können so unterdrückt werden. Durch das Tiefpassfilter kann der Signalanteil des hochfrequenten Trägersignals unterdrückt werden. Das verbleibende Signal besteht dann nur noch aus dem Modulations- oder Nutzsignal der sog. Hüllkurve. Aus dieser kann z.b. mit Hilfe der Fourier-Transformation das zughörige Hüllkurvenfrequenzspektrum ermittelt werden. Die Hüllkurvenanalyse kann immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn periodische Stoßfolgen zu erkennen oder Modulationserscheinungen zu untersuchen sind. Treten bei Modulationserscheinungen Seitenbänder im Frequenzspektrum auf, so zeigt das Hüllkurvenspektrum nur noch eine Amplitudenerhöhung bei der Modulationsfrequenz.

22 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse Wälzlagerdiagnose Im Falle der durch periodische Stoßfolgen in Wälzlagern angeregten Maschinenresonanzen können diese als hochfrequentes Trägersignal und die Stoßimpulsfolge als niederfrequentes Modulationssignal angesehen werden. Durch die Demodulation erfolgt somit eine Trennung der Stoßimpulsfolge von den Resonanzfrequenzen. /16/ Abbildung 3.14 zeigt als Beispiel die Demodulation einer stoßförmig angeregten Maschinenresonanz. Abb. 3.14: Demodulation einer stoßförmig angeregten Maschinenresonanz: Das hochpassgefilterte Schwingungssignal wird gleichgerichtet, tiefpassgefiltert und danach im Frequenzspektrum untersucht. Es sind hier die Amplituden der Stoßimpulsfolgefrequenz und deren Vielfachen zu erkennen. /16/ Die Hüllkurvenanalyse erlaubt durch die Trennung der Resonanzfrequenzen von der Stoßimpulsfolge bei der Wälzlagerdiagnose auch ein Erkennen von Laufbahn- und Wälzkörperschäden im Frühstadium, die sonst vom Störpegel überdeckt wären, wie bereits in Abbildung 3.10 gezeigt. Des weiteren können so auch die Überrollfrequenzen langsam drehender Lager erfasst werden. Das Auftreten von Vielfachen ist typisch für Stoßimpulse, wobei die Intensität schwanken kann. Die Praxis zeigt, dass die Stoßimpulsfolgefrequenz nicht in jedem Fall die größte Amplitude aufweisen muss. Wenn zusätzlich die Intensität der Stoßimpulse selbst periodisch schwankt, so treten noch weitere Frequenzen im Hüllkurvenspektrum auf, nämlich die Grundfrequenz der Intensitätsschwankung sowie Seitenbänder um die Stoßimpulsfolgefrequenz und um deren Vielfache.

23 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 23 Bei der Wälzlagerdiagnose sind gem. /17/ und /19/ die folgenden Schäden bei der Frequenz und Hüllkurvenanalyse zu unterscheiden: Außenringschäden Statistisch gesehen treten an Wälzlagern Außenringschäden am häufigsten auf. In der Regel sind sie schon sehr frühzeitig anhand ausgeprägter Amplituden bei der Außenringüberrollfrequenz und deren Vielfachen im Frequenzspektrum erkennbar. Je weiter ein Schaden voranschreitet, umso größer werden diese Amplituden. Innenringschäden Innenringschäden weisen in den Spektren ähnliche Erscheinungen wie Außenringschäden auf. Es zeigen sich erhöhte Amplituden bei der Innenringüberrollfrequenz und deren Vielfachen. Bei den meisten Maschinen können die vom Innenring verursachten Körperschallschwingungen allerdings nur über die Wälzkörper und den Außenring zum Sensor übertragen werden. Daher treten Innenringschädigungen meist mit geringeren Amplituden auf als Außenringschädigungen. Bei Maschinen mit umlaufendem Innenring tritt pro Umdrehung je nach Belastung des schadhaften Bereichs ein Maximum und ein Minimum der Körperschallbeschleunigung auf, da sich der Schaden abwechselnd in der be- und der entlasteten Zone befindet. Die Innenringüberrollfrequenz wird mit der Drehfrequenz der Welle moduliert, so dass im Hüllkurvenspektrum die Innenringüberrollfrequenz und deren Vielfache von Seitenbändern mit der Drehfrequenz umgeben sein können. Wälzkörperschäden Ein Schaden an einem der Wälzkörper führt bei jeder Überrollung an der Innen- und Außenringlaufbahn zu Stößen. Die Impulsfolgefrequenz (Wälzkörperüberrollfrequenz) ist daher identisch mit der doppelten Wälzkörperrotationsfrequenz. Hierbei wird vorausgesetzt, dass sich der defekte Wälzkörper so um seine Achse dreht, dass der Schaden immer auf den Laufbahnen abrollt. Diese Annahme stimmt nur bei Wälzkörpern, die nur eine Drehachse besitzen, wie Zylinder, Kegel etc. Bei Kugellagern hingegen ist es möglich, dass die geschädigte Kugel einen Spin aufweist und der Schaden nur unregelmäßig überrollt wird. Eine Schadendiagnose ist dann schwieriger.

24 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 24 Die Wälzkörper laufen zusätzlich mit Käfigdrehzahl um. Ähnlich wie beim Innenringschaden schwankt somit auch die Stoßintensität in Abhängigkeit von der Käfigrotationsfrequenz. Daher weist in diesem Fall das Hüllkurvenspektrum Frequenzlinien bei der Wälzkörperüberrollfrequenz mit Seitenbändern der Käfigrotationsfrequenz auf. Käfigschäden Ein defekter Wälzlagerkäfig kann beim Umlaufen periodisch an einem benachbarten Maschinenteil anstreifen. Dies führt im Hüllkurvenspektrum zu starken Amplituden bei der Käfigfrequenz und deren Vielfachen. Natürlich kann der Käfig auch so geschädigt sein, dass es zu nicht periodischem Anstreifen kommt. Im Hüllkurvenspektrum erhöht sich dadurch der Gesamtpegel der Amplituden; es sind aber keine herausragenden Amplituden festzustellen. Eine Schadenserkennung ist daher natürlich schwieriger, eine Lokalisierung des Schadens unmöglich. In der Regel wird aber der Schaden an einem Käfig mit Schädigungen anderer Teile einhergehen, die dann im Hüllkurvenspektrum erkannt werden können. Bisher wurde immer von lokalen begrenzten Schädigungen mit einmaligem Auftreten auf dem Umfang des jeweiligen Maschinenteils ausgegangen. Bei Lagern mit mehreren gleichartigen Schäden überlagern sich die Schadensamplituden, wobei hier ein Phasenversatz zu beachten ist. Eine weiterführende Betrachtung an dieser Stelle sprengt den Rahmen dieser Ausarbeitung. Hier wird auf /17/ verwiesen. Sind in einem Wälzlager mehrere unterschiedliche lokale Schäden auf den Laufflächen vorhanden, so überlagern sich die Schwingungen der einzelnen Schäden. Da es sich dabei um von verschiedenen Schäden verursachte unterschiedliche Frequenzen handelt, beeinflussen sich die Amplitudenintensitäten untereinander nicht. Bei einem Wälzlager, das großflächige Schäden an Innen- und Außenring sowie an den Wälzkörpern besitzt, kann es schwierig werden, die Frequenzen dem jeweiligen Schaden zuzuordnen, da eine Vielzahl von Überrollfrequenzen, deren Vielfache und Seitenbänder in unterschiedlicher Ausprägung auftauchen. Bei extrem verschlissenen Lagern mit mehreren unterschiedlichen großflächigen Schäden, in denen kein reines Rollen mehr auftritt, sind weder im Frequenz- noch im Hüllkurvespektrum Überrollfrequenzen nachweisbar; in diesem Fall machen sich Schäden lediglich durch Resonanzüberhöhungen bemerkbar.

25 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse Verzahnungsdiagnose Das Feststellen von Schäden an Verzahnungen in Getrieben war in der Vergangenheit nur anhand vergleichender Körperschallmessungen möglich. Für eine solche Untersuchung war es notwendig, nach der Einlaufphase eines neuen Getriebes durch eine Schwingungsmessung ein Frequenzspektrum zu ermitteln und als Referenz zu speichern. In regelmäßigen Abständen wurden dann erneut Messungen durchgeführt und mit der Referenzmessung verglichen, um so eine Aussage über den Verschleißzustand treffen zu können. Prüfstandsuntersuchungen des Instituts für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde der RWTH Aachen Ende der 90er Jahre zeigen, dass die Hüllkurvenanalyse ein geeignetes Verfahren zu sein scheint, neben Wälzlagerschäden auch Verzahnungsverschleiß ohne Referenzmessung zu erkennen. Im Folgenden werden die Auswirkungen von Verzahnungsschäden von Stirnradgetrieben auf die im Frequenz- und Hüllkurvenspektrum auftretenden bekannten Frequenzen (Zahneingriffs- und Drehfrequenz und deren Vielfachen) betrachtet. Im Anschluss wird auf die Besonderheiten bei Planetengetrieben eingegangen. Die folgenden Fehlerarten werden gem. /9/ unterschieden: Einzelfehler: Ein lokal begrenzter Fehler oder Schaden, im Folgenden als Einzelfehler bezeichnet, wie z.b. ein Pitting an einem Zahn, kann Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße verursachen. Jedes Mal, wenn der betreffende Zahn im Eingriff ist, kommt es zu einer veränderten Stoßanregung als bei den anderen Zähnen. Im Frequenzspektrum einer Verzahnung mit lokalem Schaden tritt daher neben der ohnehin vorhandenen Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen noch die Drehfrequenz des beschädigten Zahnrades auf. Auch im Hüllkurvenspektrum zeigen sich Einzelfehler durch erhöhte Amplituden bei der entsprechenden Drehfrequenz und deren Vielfachen. Exzentrizität: Die Exzentrizität eines Zahnrades kann ebenfalls zu Intensitätsschwankungen der Zahneingriffsstöße führen. Eine Exzentrizität verursacht eine Zahnflankenberührung, die oberhalb oder unterhalb des idealen Eingriffspunktes liegt. Dadurch verändern sich die Amplituden der Zahneingriffsstöße periodisch mit der Drehfrequenz des Zahnrades, das die

26 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 26 Exzentrizität aufweist. Es handelt sich dabei um eine Amplitudenmodulation des Zahneingriffsstoßes, so dass im Frequenzspektrum Seitenbänder um die Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen auftreten. Im zugehörigen Hüllkurvenspektrum zeigt sich eine Exzentrizität eines Zahnrades daher durch erhöhte Amplituden bei der entsprechenden Drehfrequenz. Aufgrund der annähernd sinusförmigen Amplitudenmodulation kann bei einer Exzentrizität davon ausgegangen werden, dass, wenn überhaupt, nur die niederfrequenten Vielfachen der Drehfrequenz erhöhte Amplituden aufweisen. Verteilter Fehler: Gleichartiger Verschleiß an allen Zahnflanken eines Zahnrades wird als sog. verteilter Fehler bezeichnet. Würde an allen Zahnflanken exakt der gleiche Verschleiß vorliegen, so würden sich die Stoßimpulse bei allen Zahneingriffen exakt gleich verändern. Die Folge wäre lediglich eine Veränderung der Amplituden der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen. Da aber in der Realität ein absolut identischer Verschleiß aller Zahnflanken nicht vorkommt, werden die Intensitätsänderungen der Stoßimpulse an jeder Zahnflanke leicht unterschiedlich sein und sich mit der niederfrequenten Zahneingriffswiederholfrequenz periodisch wiederholen; und zwar immer dann, wenn die gleichen Zähne wieder im Eingriff sind. Es ergibt sich demnach eine Amplitudenmodulation der Zahneingriffsstöße mit Seitenbändern der Zahneingriffswiederholfrequenz. In diesem Fall weist das Hüllkurvenspektrum erhöhte Amplituden bei der Zahneingriffswiederholfrequenz und deren Vielfachen auf. Die Drehfrequenzen der verschlissenen Zahnräder sind laut Definition (Gl. 3.11) Vielfache der Zahneingriffswiederholfrequenz. Da die Zahneingriffsstöße auch mit der Drehfrequenz des verschlissenen Zahnrades schwanken, sind in der Regel die Amplituden der zugehörigen Drehfrequenzen und deren Vielfachen höher als die anderen Vielfachen der Zahneingriffswiederholfrequenz. Schäden an der Verzahnung zeigen sich also in der Regel weniger durch erhöhte Amplituden bei der Zahneingriffsfrequenz und deren Vielfachen als vielmehr durch deutliche Seitenbänder, hervorgerufen durch Modulationserscheinungen mit Dreh- bzw. Zahneingriffswiederholfrequenz, für deren Untersuchung die Hüllkurvenanalyse geradezu prädestiniert ist.

27 Diplomarbeit Online Condition Monitoring von WEA mittels Körperschallanalyse 27 Besonderheiten bei Planetengetrieben: Bei Planetengetrieben kann beobachtet werden, dass der Schwingungspegel ansteigt, wenn eines der Planetenräder sich der Sensorposition nähert und ein Maximum erreicht, wenn der Eingriff von Planeten- und Hohlrad gerade in nächster Näher des Sensors stattfindet. Dieses Ereignis wiederholt sich periodisch, so dass die gesamte Schwingung mit der Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad moduliert wird. Dabei entspricht die Zahneingriffsfrequenz der Trägerfrequenz und die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad der Modulationsfrequenz. Im Frequenzspektrum ergeben sich also, bedingt durch die Messwerterfassung, auch bei einem intakten Getriebe Seitenbänder mit der Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um die Zahneingriffsfrequenz. Durch Fertigungsund Positionsungenauigkeiten sowie Tragbildunterschiede der einzelnen Planetenräder kann es auch vorkommen, das diese Modulation insbesondere von einem der Planetenräder hervorgerufen wird. Entsprechend ergeben sich dann Seitenbänder mit der Planetenträgerdrehfequenz um die Zahneingriffsfrequenz. /10/ Bei beispielsweise drei Planetenrädern ist die Planetenpassierfrequenz auf dem Hohlrad um den Faktor drei größer als die Planetenträgerdrehfrequenz. Generell äußern sich Verzahnungsschäden an Planetengetrieben durch einen erhöhten Gesamtschwingungspegel im Vergleich zu einem intakten Getriebe. Das Ermitteln der genauen Schadensposition im Getriebe gestaltet sich jedoch aufgrund der komplexen Zusammenhänge sehr schwierig. Das Institut für Bergwerks- und Hüttenmaschinenkunde der RWTH Aachen entwickelt seit Ende der 90er Jahre anhand geeigneter Prüfstanduntersuchungen Verfahren, die es ermöglichen sollen, unterschiedliche Schäden an Verzahnungen in Planetengetrieben zu diagnostizieren. Auf weitere Hintergründe zu möglichen Verfahren, die u.a. /10/ zu entnehmen sind, wird nicht detaillierter eingegangen, da diese beim Condition Monitoring System DMT-ZUMWART online nicht zum Einsatz kommen Einfluss variabler Drehzahlen Da die zu überwachenden kinematischen Lager- und Getriebefrequenzen proportional zur Drehzahl sind, ist bei Maschinen, die mit variablen Drehzahlen betrieben werden, das Drehzahlsignal mit zu erfassen. So können durch Schäden verursachte Frequenzen und auch deren Amplitudengrenzwerte in Abhängigkeit von der Drehzahl überwacht werden. Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel für das drehzahlabhängige Nachführen von zu überwachenden Frequenzbändern. Zusätzlich werden hier die Grenzwerte drehzahlabhängig angepasst.